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叶思宇院士:《产学研结合在燃料电池产业化中的重要感化》

4月22日,为期两天的成都首届国际氢能及燃料电池产业大会在成都世纪城国际集会中央盛大开幕。

本次大会是在四川省经济和信息化厅、中国氢能源及燃料电池产业创新计谋同盟指点下,由中国西方电气集团有限公司和成都市氢能及燃料电池产业睁开增进会结合主理,成都市经济和信息化中办,由势银、西方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司、成都华气厚普电机设备股份有限公司、国度能源集团大渡河流域水电开拓有限公司、清华四川能源互联网研究院、四川省能源投资集团有限任务公司、成都客车股份有限公司、四川省汽车产业协会等单位结合包办。

在该产业大会上,鸿基创能董事兼首席技术官、加拿大国度工程院叶思宇院士,带来以《产学研结合在燃料电池产业化中的重要感化》为主题的演讲。

叶思宇院士

如下是本次大会叶思宇院士的演讲实录:

陶院士、干院士,各位嘉宾,共事咱咱们,大家早上好,非常感谢西方电气的约请。刚才两位院士从微观层面到微观层面都讲的非常清楚了。我本日重要讲产学研结合在燃料电池产业化的重要应用。

大家都在讨论燃料电池到底是环境驱动还是技术和产品的请求驱动? 其实我觉得两个都有。这几十年来,跟着生齿的增长,对能源需要提出了更大的请求。从1965年到2015年可以或许或许看出能源的需要增长弘大,很遗憾这种增长需要傍边再生能源比起传统能源的增长相对比较缓慢,这就使二氧化碳气体排放增长相当快。为此,国际环境掩护构造、巴黎协定请求咱咱咱们的温室释放气体要比1990年还要低,最佳到达1990年排放的的60%甚至80%程度。仅以小轿车为例子,如果持续应用传统汽油/柴油车,温室气体排放会持续加大。如果加上刚才两位院士所介绍重卡和大巴, 环境就更糟了。如果改用纯电动车, 环境会会改良,但是仍然高于1990温室气体排放60%的程度。只要当咱咱咱们都用燃料电池轿车的时候,温室气体排放量才会到达咱咱咱们所请求的抱负程度,也便是1990年排放的80%的程度。

大家可以或许或许看到,世界很多国度都出台了禁售燃车的光阴表,从2025年不停到更晚的光阴。尽快很多人对这些政策制定南晗腹庖表示怀疑,但是,如果咱咱咱们不去追究详细的光阴,至少这是未来能源睁开的趋向,便是新能源汽车会逐渐取代传统的燃油汽车。幸运的是,咱咱咱们中国海南省也率先制定出了如许一个政策,也便是在2030年禁止出售和应用燃油汽车。

那么,氢能和燃料电池在应对全球气候变更和能源必要的增长中扮演一个什么样的角色呢?其实氢很多人很认识,只是咱咱咱们本来没有把它单独来考虑。氢是一种很干净的能源载体,它在咱咱咱们人类很多地方和日常生活中都普遍应用的应用到,包含刚才干院士提到的炼钢、金属加工,甚至平常的食物和化妆品方面也普遍应咱氢。氢的来源也多种多样,包含传统化石质料-煤和自然气制氢,煤制氢,甚至用可再生能源-风能、太阳能和电解水制氢。氢能并不等于燃料电池,更不等于燃料电池汽车,燃料电池只是氢能用的一个窗口。燃料电池汽车既然是一个窗口,咱咱咱们就要展现它跟传统的汽油车、柴油车相比,有什么么。首先,因为咱咱咱们不颠末卡洛轮回这个过程,所以效力会更高;因为它应用加氢这种办法跟传统加油很相似,所以加氢光阴很短;因为全体过程是电化学过程,没有颠末燃烧等过程,所以燃料电池运行起来很安静;更重要的是,它的反映产品是水,所以是干净的,零排放,刚才陶院士也提到。除了燃料电池汽车以外,燃料电池也可以或许用于家庭热电联用,甚至发电方面。另外一点,我想夸大的是,氢能对国度能源平安性的重要感化。咱咱咱们国度尽管煤很丰富,但煤油长期依赖入口,如果氢能作为未来能源的重要部分,就有可能为咱咱咱们国度的能源平安供给重要包管。

人咱咱们可能会问,既然燃料电池这么好,它为什么还没有大规模产业化?它的睁开现状是什么?未来还会碰到什么成就?可能很多人相信,2018年以来燃料电池这么热,跟丰田推出氢能燃料电池汽车有很大的相干。其实除了丰田以外,很多的汽车公司像奔驰、本田、现代、民众奥迪在氢燃料方面也有较大布局。咱咱咱们国度对燃料电池车的存眷更偏向于大巴车和物流车。目前,已经有上千辆燃料电池大巴车和物流车在中国上海、北京、佛山、云浮、广州等地运行。

除了刚才说的轿车、大巴车和物流车以外,燃料电池在重型车辆,比如说轨道交通和火车上面也有在树模运行。刚才两位院士也说到燃料电池在重载汽车方面的应用应该是更适用的领域,分外是重型卡车这类净化小户。如果应用电池作为唯一能源,一个几十吨大卡车要运行一千公里,则必要好几顿的电池装在卡车上。所以人咱咱们经常会问你到底在运货还是在运电池。在重卡领域,纯电动车无法和氢燃料电池车比美。另外,在军用卡车上,燃料电池应该也有很大的应用,除了自己作为能源体系,还不容易被发现。

燃料电池在其余领域应用也很普遍,比如紧急备用电源:芏年前在加勒比海遭受飓风的时候,同时有电池、柴油和燃料电池备用电源在运行,只要燃料电池在那几天内可以或许或许连续供给所必要的电力。在日本,热电联用的燃料电池产品已经有几十万户家庭在应用。其实,燃料电池在叉车领域的应用可能是最成熟的商业化应用。如今在美国有几万两燃料电池叉车在沃尔马等储存仓库运行。它的一个优点是效力高。曩昔应用电池叉车通常必要同比电池:一套电池用来运行,一套电池用来充电,另外一套电池则必要降温。燃料电池彻底克服了这个缺点,加氢只必要三到五分钟。另外一个优点是燃料电池叉车的功率一天不会减低,而电池叉车则会在8小时的末了阶段因为功率下降,常常举不到最高点,而燃料电池完全没有这方面的成就。

目前,很多国度已经对氢能和燃料电池的睁开停止了计划和布局。刚才两位院士已经讲了,我就不再重复了。

燃料电池的研发和产业化过程傍边另有什么成就?为什么咱咱咱们要夸大产学研结合能力发挥更好的感化?刚才讲到燃料电池在睁开过程中,最先是各大汽车公司在占主导感化。这是好事,也很有挑衅性。好事便是一开端动身点就非常高,它请求咱咱咱们跟已经睁开了100多年的燃油汽车相比不能有任何缺点,所以咱咱咱们常常夸大燃料电池的适用性要跟传统汽车一样。而且真正的产业化产品不只要在抱负工况下要传统燃油车的程度,在各种极端条件下(如高温启动运行)也要一样好,甚至更好。目前,燃料电池的本钱任然是制约其大规模商业化的重要因素。但是,燃料电池本钱的下降不能伴跟着对任何机能和寿命的衰减。所以要大规模商业化不只要低落本钱,而且要让机能甚至寿命进一步提高。这真的是一个很大的挑衅。所以,除了加氢站基础举措措施打造外,本钱和寿命是燃料电池技术大规模产业化挑衅的一个重要方面。同外洋燃料电池的睁开相比,国内燃料电池产业化还是存在一些相对的弱势,分外是在关键资料、体系附件和机能偏向方面跟外洋都还是有一定差距。刚才干院士分外提到国内很多燃料电池的关键技术和体系提高都很大,但是在膜电极,分外是高功率膜电极和大批量临盆能力方面,差别还是很大。

燃料电池是一个很复杂的体系工程,它触及的方方面面非常多,触及资料科学和工程、电化学、热力学、机械和能量传输过程等多学科的知识。所以,它不能简略把资料装配在一路,就能获得一个好的产品。这些组装好的资料必要同时停止电化学反应,另有传输水、氢气或许氧气,和传递电子、质子和热。便是这个只要20微米的膜电极决定了燃料电池的机能、寿命,当然另有本钱。这便是咱咱咱们为什么膜电极是燃料电池的中央,就像芯片在电脑和只面的感化一样。膜电极的临盆不只是设计成就,另有工艺工程成就。只要获得成分和布局都非常抱负的环境下,它能力发生咱咱咱们所必要的机能和寿命。只要赓续地更新和优化,咱咱咱们能力把本钱进一步下降。所以这方面除了电化学家、资料科学家和工程师极力以外,还必要其余领域的专家(包含计算模拟专家)的共同支撑,能力把膜电极做好,燃料电池的大规模商业化能力实现。总之,这是一个跨学科多领域的体系,所以我认为这必要企业跟大学和研究所密切合作,任何一个小我甚至一个公司都很难把燃料电池产业链的各个方面完全做好。因为咱咱咱们各拥有咱咱咱们各自的优势和强项,当然也有咱咱咱们的弱项,只要密切合作能力把燃料电池产业化早日实现。

基于这一点,我小我觉得燃料电池产业化必需首先要树立在大学和研究所的基础研究上,咱咱咱们不能盲人摸象。而一个公司的研发必需因此产品和商业化导向的研发,不应该纯粹是为了发表文章,它的研发效果必需写在产品上。除了产品研发以外,全体产品临盆过程的工艺开拓也非常重要。只要密切合作能力临盆出一代又一代燃料电池产品,才有市场,这傍边中央部件是关键的关键,这是拳头产品。刚才夸大咱咱咱们没办法做统统的东西,咱咱咱们必需跟供给链和合作同伴合作,这也是非常重要的。

产学研可能是不完备的,要有政产学研用密切合作。咱咱咱们必要政府对氢能全体停止政策导向;咱咱咱们不只要知道目前用户必要什么,还要知道未来用户必要什么。真正的新一代高技术产品不完全是颠末过程市场调查所获得的,下一代产品的应用也许也必要引导而且教育。这句话可能不是太合适,如今的用户也许不知道未来必要什么。所以这一点必要产学研政和用户密切合作,咱咱咱们能力把燃料电池产业化做的更好。

刚才陶院士详细介绍了燃料电池工作原理,这里想夸大燃料电池中央有一个非常重要的关键中央资料叫做催化剂,它是膜电极里面重要构成部分。为什么它重要?因为统统的电化学反应在催化剂上停止;除此以外,它对燃料电池的本钱影响很大。也许它在燃料电池小批量临盆初期占的比例可能不是很大,但是大规模商业化时,因为其余部件跟着规模化和工程化进一步改急厩急剧下降,但是催化剂的本钱可能不会下降。这是因为咱咱咱们商业化的燃料电池催化剂是基于贵重金属-白金的催化剂,所以它的本钱很高。大家可能非常认识有各种各样燃料电池催化剂的研发文章发表在各种期刊上。但是,还是基于铂金或许铂合金催化剂,也包含非贵重金属催化剂,他咱咱们在燃料电池产业化中的成熟性是不一样的,有些还处于研发阶段,有些在小规模量产,有的已经商业化了。是不是统统发表的燃料电池催化剂都可以或许马上放在燃料电池上?这显然不行能的。即使它机能很优越,也得首先批量化临盆。这是个非常复杂的过程,并不是统统的繁多专家就能做进去。通常人咱咱们可能认为规模化很容易,我本来用25毫升的烧杯,改成用成2.5升的烧瓶就能解决。不对的,燃料电池催化剂大规模量产触及到很多复杂的热电水过程,而且真正商业化并不是简略的放大,最佳是连续化的过程制备的。当然,如果咱咱咱们要等待燃料电池催化剂大规模商业化才开端应用,咱咱咱们可能等不起。所以昨天有人讲等待不是简略的等待,是要积极的等待。什么是积极的等待? 比如,咱咱咱们积极跟大学合作,在研发早期阶段就让他咱咱们的产品在燃料电池(哪怕是单片或许是短堆)上停止测试,找出它从机能到寿命方面可能的优势和缺点,并实备牧;在它量产化初级阶段实时放到电堆上测试。这统统又取决于大学研究所和工业界的密切合作。再次夸大任何一个小我和一个企业要单独做好这一路,可能都非常艰难。

为什么咱咱咱们夸大产学研在全体过程傍边,不光是资料研发初期的重要性?这里举一个例子,燃料电池催化剂一开端是负载在碳的载体上面,从碳的载体抉择到机能测试包含寿命测试都是非常复杂的过程,大学和研究所可能比企业更具有这方面的气力和能力来做这方面的研究。当催化剂负载在碳载体或许其余载体上面以后,怎么节制催化剂活性物质的大小,散布的均匀性甚至跟载体互相感化,这些都是触及非常复杂的科学和工艺过程。当催化剂放到膜电极上面,还要加上一个重要成分-离聚物。离聚物在膜电极中起到非常重要感化:传导质子。咱咱咱们既想让它负载在催化剂表示有利于质子传输,但是又不想它把催化剂完全包裹住了,如许也可能会影响气体传输。怎么包管它在三位布局里面有用传输电子质子气体甚至另有传热这是非常必要看重的,它也触及到非常多科学和工程方面了成就。另外,当咱咱咱们产品交给用户,咱咱咱们可能会发现应用过程傍边机能会衰减。咱咱咱们也可以或许或许颠末过程加快试验来证实和懂得这些变更,然后设计新的布质顾加倍稳固。这统统必要各个学科共同极力。

通常咱咱咱们谈到燃料电池的中央资料和部件对燃料电池影响的时候,通常大家都当要机能优良、寿命长、和低本钱资料,咱咱咱们能力在各种真实路况下运行好燃料电池汽车,如许燃料电池商业化才有盼望。但是,其实这两者是互相联系互相弥补的。遗憾的是,咱咱咱们真的没有一个所谓的抱负的燃料电池关键中央资料可以或许或许应用到燃料电池的任何工况下都永久不会出任何成就。咱咱咱们会赓续极力,也盼望咱咱咱们可以或许或许供给一代比一代的更好燃料电池膜电极和燃料电池产品。但这统统的实现,也必要燃料电池体系工程师对燃料电池的运行工况更正当的节制。如许,咱咱咱们就能根据他咱咱们体到谥的能力供给机能和价钱都比较合适的产品。所以咱咱咱们一定要夸大燃料电池的设计、临盆、应用真的是互相干联的。燃料电池应用过程中信息和数据的收集阐发同样也必要大学研究所和工到的密切合作,以用于下一代燃料电池产品机能的进一步提高。

基于对产学研重要性的认识,咱咱咱们在广州树立了粤港湾大湾区氢能研发中央及院士工作站。咱咱咱们依靠鸿基创能、雄川氢能和雄川新能,跟暨南大学和中国科学院广州能源所也有很密切的合作。这是一个完全凋谢的体系,也盼望跟省内外其余高校研究所和国内外其余氢能燃电池相干的企业共同合作打造燃电池下一代产品。鸿基创能科技广州有限公司是2017年12月树立的,专一于膜电极的研发和临盆。咱咱咱们的膜电极是用连续的卷对卷的涂布工艺制备的,如今的年设计能力是30万平米。目前的第一代膜电极产品本钱比主流要低30%。2019年3月27号咱咱咱们举行了项目竣工仪式和第一代燃电池产品的发布仪式。

末了, 我想再次夸大,氢能和燃料电池不光是燃料电池汽车,它是咱咱咱们未来持续睁开社会的重要构成部分。当然电网在未来能源传输体系中的地位几乎是不行忽视的,幸运的是氢是很好的媒介(电(分外是可再生能源)可以或许或许用来发生氢,氢可以或许或许用来发电),它可以或许或许与电并轨。颠末过程氢能与电网并轨,咱咱咱们人类社会就可以或许或许实现持续健康的睁开。谢谢大家!

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